WLAN中的MIMO技术

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本文我们简单谈下应用在WLAN里面的MIMO技术。

为什么MIMO（multiple-input and multiple-output）在现代无线通信里占据如此重要的地位呢。这还得从古老的香农定理来分析一下，根据我们大学里学的香农定理，某数字频带所能达到的最大传输率是有频宽(W)和信噪比(SNR)决定的。所以宽频带比如像UWB，11ad等通信都有很高的传输数率，再反过来举个例子，如果传输数率可以降的极低，则要求的信噪比也越低，这类通信用在宇宙航天上较多。

MIMO技术是运用相同的频率，通过复数个收发段来提高数率。这如果改一下香农基本公式的话，就变成了C[bit/s]=NxWxlog2(1+SNR), MIMO的引入，相当于空间维度上使数据传输率提高了N倍。比较理想的情况下，只要接收端的各链路有一定的隔离性，N组接收发可使数率提高N倍，效果和通过频带扩充N倍是一样的。在频率资源这么紧张宝贵的现代通信中，MIMO技术就逐渐投入应用了。当然MIMO的革新也是有一定限制的。不管是我们引入多少路链路，一般我们对功耗的追求是不会妥协的。也就是如果输出功率的和于单路输出功率假设一样的话，MIMO的时候，其实就变成了更短距离的通信。（假设SNR不变。）

WLAN的MIMO技术，其实感觉比LTE是晚一个节拍的。它从802.11n开始引入了单用户MIMO。后来发展到11ac的多用户MIMO。下面分别就这2个方面简单做一下介绍。

一、802.11 MIMO

802.11 MIMO家族里，具体来说，又有很多不同的多径传输技术。 Cyclic Shift Diversity (CSD, CDD), Transmit Beamforming (TxBF), Space Time Coding (STBC), Spartial Division Multiplexing (SDM), Maxmal Ration Combining (MRC)等。还有一种是天线的分集，这个在11b，11ag里就开始运用了，因为和芯片设计无多大关系，此文不作介绍。

从802.11ag开始支持CDD其，802.11n除了CDD，还支持SDM，STBC和TxBF(可选)，再到802.11ac的后期阶段，各大Wifi芯片厂商开始支持多用户的MIMO芯片。 11b因为只有一条传输链路当然也无法支持MIMO了。

下面我们简单介绍一下各项技术：

1、先来谈一下CDD。

CDD就是发送端通过在各发送天线加上一定的coded的延迟再发送，人工的产生多径传输效应。所以CDD信号是各自关联的，也就是分析功率的时候，要考虑这个链路Array增益的。

2、TxBF和CDD一样，也是传输段的技术。

他应用权重（weight）到传输的信号上，提高接收质量，这个权重值是从Channel state Info（CSI）上提取的，所以也称为一个“steering”的过程。802.11n标准里面没有定义具体steer matrix的方法，导致了各大芯片商各显神通创出了很多方法。仔细研究11n标准的同学们可能发现，里面定义了两种标准，implicit TxBF和explicit TxBF。而在802.11ac标准里，TxBF标准得到全面更新，明确定义了一种反馈矩阵(v)保留了explicit TxBF。那么两者有什么区别呢，一句话简单的说就是看信道是由接收端还是发送端来评估的。接收端评估的就是Explicit TxBF反之就是Implicit TxBF. TxBF也是信号关联的，所以它的链路array增益不能忘记。

3、而STBC，是指完全不相关的信号同时被发送。

这在有些情况下是可能的，比如天线的数目超过了数据链路的数目。它要求每个链路接收的时候保证偶数个天线。比如下图是2个发送天线对应1个接收。

4、MRC和前面几种技术不同，它是应用在接收端的技术。

通过组合多路径的信号来提高信噪比。它可以与发送端的一些分集技术组合使用。

二、接下来我们谈一下802.11ac 第二阶段的MU-MIMO技术。

这里说的MU-MIMO是指Access point的downlink 链路支持多用户。到目前为止，802.11只支持下链路的多用户MIMO。也就是说每个用户的最大通信速度没有增加，但是同一个Access point同时可传输的用户数增加了。极大的提高的各用户的通信体验。

1、和前面所谈的单用户MIMO相比，MU最大的优点点就是不再需要时间上分割共享了，每一个用户都可以真正的体验到full time的传输效果。在前期的测试验证中，一些芯片厂商已经验证MU-MIMO的每个用户的吞吐速率比SU-MIMO要快2～3倍。

2、第二个优点是传输数据的容量和Access point的天线数目成正比，不再要求STA用多个天线匹配。还有就是MU有更小的延时。MU-MIMO里充分利用了Beamforming技术。它利用了前面介绍的Explicit TxBF技术。AP利用发给某个用户的帧来计算各个用户的信号强度，然后改变矩阵的传递函数，是对象用户的接受功率最大，其他用户的功率降之Null程度。

3、MU-MIMO也是有一些限制的:

1）最多同时连接四个用户 (station) 也就是意味着MU frame里最多包含4个不同的用户信息包;

2）每个用户最多有四个链路;

3） MU-MIMO总共最多八个链路.

据笔者所知，2016年开始今后的1-2年，部分高端智能机，将逐步支持多用户MIMO。前面已谈到这里的多用户都是指downlink，所以智能机上的MU-MIMO会提高其作为AP的时候的通信速度。